В современном производстве,технология лазерной сваркиЛазерная сварка широко используется в различных областях, от аэрокосмической до автомобильной промышленности, от электронного оборудования до медицинских приборов, благодаря своим преимуществам высокой эффективности, точности и адаптивности. В основе этой технологии лежит взаимодействие лазера с материалом, образование расплавленной ванны и её быстрое затвердевание, что позволяет соединять металлические детали. Сварочная ванна является ключевой областью в лазерной сварке, и её характеристики напрямую определяют качество сварки, микроструктуру и конечные параметры. Поэтому глубокое понимание и точный контроль характеристик расплавленной ванны имеют жизненно важное значение для повышения уровня технологии лазерной сварки и удовлетворения потребностей в высококачественных сварных соединениях в промышленном производстве.
геометрия расплавленного бассейна
Геометрия сварочной ванны является важным аспектом в исследованиях лазерной сварки, поскольку она напрямую влияет на теплопередачу, поток материала и конечное качество сварки в процессе сварки. Форма расплавленной ванны обычно описывается ее глубиной, шириной, соотношением сторон, геометрией зоны термического воздействия (ЗТВ), геометрией сквозного отверстия и геометрией зоны расплавленного металла (ЗОМТ). Эти параметры не только определяют размер и форму сварного шва, но и влияют на термический цикл, скорость охлаждения и формирование микроструктуры в процессе сварки.
Таблица 1. Влияние параметров лазерной сварки на геометрические параметры каждой сварочной ванны.
Исследование показывает, что мощность лазера и скорость сварки являются двумя основными параметрами процесса, влияющими на геометрию сварочной ванны, как показано в таблице 1. В целом, с увеличением мощности лазера и уменьшением скорости сварки глубина сварочной ванны увеличивается, в то время как ширина изменяется относительно незначительно. Это объясняется тем, что более высокая мощность лазера обеспечивает большую энергию, позволяя материалу быстрее плавиться и испаряться, что приводит к образованию более глубоких сварочных отверстий и ванн, как показано на рисунке 1. Однако, если мощность лазера слишком высока или скорость сварки слишком низка, это может привести к перегреву материала, чрезмерному испарению и даже эффекту защиты плазмы, что снизит качество сварки. Поэтому в реальном процессе сварки необходимо разумно выбирать мощность лазера и скорость сварки в соответствии с конкретными характеристиками материала и требованиями к сварке, чтобы получить идеальную геометрию сварочной ванны.
Рисунок 1. Различные формы сварных швов, образующихся при лазерной теплопроводной сварке и лазерной сварке с глубоким проплавлением.
Помимо мощности лазера и скорости сварки, на геометрию сварочной ванны влияют также теплофизические свойства материала, состояние поверхности, защитный газ и другие факторы. Например, чем выше теплопроводность материала, тем быстрее происходит передача тепла через материал и тем быстрее скорость охлаждения расплавленной ванны, что может привести к относительно небольшим размерам расплавленной ванны. Шероховатость и чистота поверхности материала влияют на скорость поглощения лазерного излучения, а следовательно, и на формирование и стабильность расплавленной ванны. Кроме того, тип и расход защитного газа также оказывают определенное влияние на форму и качество расплавленной ванны; правильный выбор защитного газа может эффективно предотвратить окисление и загрязнение расплавленной ванны, а также регулировать поверхностное натяжение и характеристики текучести расплавленной ванны, тем самым улучшая качество сварки.
Рисунок 2. Форма расплавленной ванны при движении лазера.
Изменение траектории лазерного луча, вызванное колебаниями лазера, может существенно повлиять на форму и характеристики расплавленной ванны, как показано на рисунке 2. Колебания лазерного луча делают форму расплавленной ванны более однородной и стабильной. Осциллирующий лазерный луч создает более широкую зону нагрева на поверхности ванны, делая края ванны более гладкими и уменьшая острые края и неровности. Такой равномерный нагрев способствует улучшению качества и механических свойств сварного соединения, а также уменьшению дефектов сварки, таких как трещины и поры. Кроме того, колебания лазера могут также повысить текучесть расплавленной ванны, способствовать удалению газов и примесей из расплавленной ванны и дополнительно улучшить плотность и однородность сварного соединения.
Динамика расплавленного бассейна
Термодинамика расплавленной ванны — еще одна ключевая область исследований лазерной сварки, которая включает в себя поглощение, передачу и преобразование энергии лазера в расплавленной ванне, а также распределение температурного поля, скорость охлаждения и поведение фазовых переходов, вызванных этим процессом. Термодинамические характеристики сварочной ванны не только определяют форму и размер ванны, но и напрямую влияют на микроструктуру и механические свойства сварного соединения.
В процессе лазерной сварки после поглощения лазерной энергии материалом в расплавленной ванне образуется зона высокой температуры, вызывающая плавление и испарение материала. Одновременно происходит передача тепла из высокотемпературной области в низкотемпературную посредством теплопроводности, конвекции и излучения, в результате чего температура материала вокруг расплавленной ванны повышается, что влияет на микроструктуру и свойства материала. Из-за малых размеров, большого температурного градиента и высокой скорости охлаждения расплавленной ванны измерение температурного поля и скорости охлаждения напрямую затруднительно. Поэтому большинство исследований проводится с целью изучения термодинамических свойств расплавленных ванн путем создания математических моделей и методов численного моделирования.
В термодинамической модели расплавленной ванны обычно необходимо учитывать следующие ключевые факторы: Во-первых, механизм поглощения лазерной энергии, включая характеристики отражения, поглощения и пропускания на поверхности материала, а также процессы рассеяния и поглощения лазерного излучения внутри материала. Различные материалы и параметры лазера приводят к различным скоростям поглощения и распределению энергии, что влияет на термодинамическое поведение расплавленной ванны. Во-вторых, теплофизические свойства материала, такие как удельная теплоемкость, теплопроводность, плотность и т. д., эти параметры изменяются с изменением температуры, что оказывает важное влияние на процесс теплопередачи. Кроме того, необходимо учитывать процессы течения жидкости и фазового перехода в расплавленной ванне, такие как плавление, испарение и затвердевание, которые изменяют форму и распределение температурного поля расплавленной ванны, а также влияют на микроструктуру и механические свойства материала.
В результате численного моделирования и экспериментальных исследований ученые обнаружили, что распределение температурного поля в расплавленной ванне обычно характеризуется значительной неравномерностью: высокотемпературные зоны в основном сосредоточены в зоне действия лазера и в области сквозного отверстия, а температура постепенно снижается к краю расплавленной ванны и зоне термического воздействия. Скорость охлаждения увеличивается с уменьшением размера расплавленной ванны и увеличением расстояния от зоны действия лазера. Как показано на рисунке 2, скорость охлаждения обычно ниже в центре расплавленной ванны и в области сквозного отверстия, в то время как скорость охлаждения выше на краю расплавленной ванны и в зоне термического воздействия. Это неравномерное распределение температурного поля и скорости охлаждения приводит к заметным градиентным изменениям микроструктуры сварного соединения, таким как размер зерен, фазовый состав и распределение, что влияет на механические свойства и коррозионную стойкость сварного соединения.
Рисунок 3. Результаты моделирования образования сквозного отверстия и расплавленной ванны при лазерной глубокопроплавной сварке пластины из нержавеющей стали.
Для улучшения термодинамических характеристик расплавленной ванны, повышения качества сварки и снижения количества сварочных дефектов был предложен ряд методов и мер по оптимизации. Например, путем регулирования параметров лазера, таких как мощность лазера, скорость сварки, диаметр пятна и т. д., можно изменять режим подачи и распределение лазерной энергии для оптимизации температурного поля и скорости охлаждения расплавленной ванны. Кроме того, термодинамическое поведение и эволюцию микроструктуры расплавленной ванны можно регулировать с помощью предварительного нагрева, последующего нагрева, многопроходной сварки и других методов обработки, а также с помощью различных защитных газов и сварочных атмосфер. В то же время разработка новых сварочных материалов и сплавов для повышения термической стабильности и сварочных характеристик материалов также является одним из важных способов улучшения термодинамических характеристик расплавленных ванн.
Характеристики сварочной ванны являются ключевыми факторами, влияющими на качество сварки, микроструктуру и механические свойства. Углубленное изучение геометрии и термодинамических характеристик сварочной ванны имеет большое значение для оптимизации процесса лазерной сварки и повышения эффективности и качества сварки. Благодаря большому количеству экспериментальных исследований и численного моделирования исследователи достигли ряда важных результатов, которые обеспечивают прочную теоретическую основу и техническое руководство для развития и применения технологии лазерной сварки. Однако в текущих исследованиях все еще есть некоторые недостатки, такие как упрощение модели и слишком много допущений, а также недостаточная точность прогнозирования характеристик расплавленной ванны в сложных условиях работы. Необходимо улучшить систематические и всесторонние экспериментальные исследования, а также наблюдается недостаток углубленных исследований большего количества материалов и параметров сварки.
Дата публикации: 28 февраля 2025 г.
